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Alternative zu Li-Ionen-Batterien

US-Forscher entwickeln praxistaugliche Natrium-Ionen-Batterie

9. Juni 2020, 15:30 Uhr | Ralf Higgelke

Der promovierte WSU-Absolvent Junhua Song und seine Kollegen entwickelten eine Natrium-Ionen-Batterie, die ebenso viel Energie speichern kann und genauso gut arbeitet wie handelsübliche Lithium-Ionen-Batterien.

Eine Natrium-Ionen-Batterie mit einer ähnlichen Kapazität wie herkömmliche Lithium-Ionen-Batterien hat ein Forscherteam der Washington State University und des Pacific Northwest National Laboratory entwickelt. Nach tausend Ladezyklen blieben noch 80 Prozent der Kapazität.

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Lithium-Ionen-Batterien sind omnipräsent und werden in unzähligen Anwendungen wie Mobiltelefonen, Laptops und der Elektromobilität eingesetzt. Allerdings basieren sie auf Materialien wie Kobalt und Lithium, die selten und teuer sind und nur in einer Handvoll Ländern vorkommen. Da die Nachfrage nach Elektromobilität und Energiespeicherung steigt, könnten diese Materialien schwieriger zu bekommen sein und eventuell teurer werden. Lithiumbasierte Batterien wären auch ein Flaschenhals, wenn es darum geht, den enorm wachsenden Bedarf an Energiespeicherung im Stromverbundnetz zu decken.

»Es besteht daher großes Interesse daran, Lithium-Ionen-Batterien in vielen Anwendungen durch Natrium-Ionen-Batterien zu ersetzen«, erklärte Dr. Imre Gyuk, Director of Energy Storage des Office of Electricity am Department of Energy, der diese Arbeit am Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) unterstützt hat.

Natrium-Ionen-Batterien aus billigem, reichlich vorhandenem und nachhaltigem Natrium aus den Ozeanen oder der Erdkruste könnten ein guter Kandidat für die großtechnische Energiespeicherung sein. Allerdings speichern sie nicht so viel Energie wie Lithium-Ionen-Batterien. Auch das Aufladen ist nicht schnell und effizient genug, wie es für eine effiziente Energiespeicherung erforderlich wäre. Ein zentrales Problem für einige der aussichtsreichsten Kathodenmaterialien besteht darin, dass sich an der Oberfläche der Kathode eine Schicht inaktiver Natriumkristalle bildet, die den Fluss der Natriumionen stoppt und folglich die Batterie zerstört.

Energiedichte und Zyklenfestigkeit erreichen

»Die größte Herausforderung besteht darin, dass die Batterie sowohl eine hohe Energiedichte als auch eine gute Zyklenfestigkeit aufweist«, erklärte Junhua Song, Erstautor der Studie und Doktorand an der Washington State University (WSU), der jetzt am Lawrence Berkeley National Laboratory arbeitet.

Im Rahmen dieser Arbeit schuf das Forschungsteam eine Kathode aus geschichtetem Metalloxid und einen flüssigen Elektrolyten, der zusätzliche Natriumionen enthielt. Dadurch entstand eine salzigere Lösung, die besser mit der Kathode interagierte. Durch den Aufbau der Kathode und des Elektrolytsystems bleiben die Natriumionen ständig in Bewegung, sodass sich an der Oberfläche keine inaktiven Kristalle ansammeln, und der elektrische Strom ungehindert fließen kann.

»Wir konnten zeigen, dass zwischen der Änderung der Kathodenstruktur und der Interaktion der Oberfläche mit dem Elektrolyten ein wesentlicher Zusammenhang besteht«, sagte Yuehe Lin, Professor an der School of Mechanical and Materials Engineering der WSU, der zusammen mit Xiaolin Li, Senior Research Scientist an der PNNL, die Studie leitete. »Dies sind die besten Ergebnisse, die jemals für eine Natrium-Ionen-Batterie mit einer mehrschichtigen Kathode berichtet wurden. Sie belegen die Praxistauglichkeit unserer Technologie, die mit Lithium-Ionen-Batterien vergleichbar ist.«

Die Forscher arbeiten nun daran, die so wichtige Wechselwirkung zwischen Elektrolyt und Kathode besser zu verstehen. So können sie mit unterschiedlichen Materialien für ein verbessertes Batteriedesign arbeiten. Auch wollen sie eine Batterie entwerfen, die ohne Kobalt auskommt, einem anderen relativ teuren und seltenen Metall.

»Diese Arbeit ebnet den Weg zu praxistauglichen Natrium-Ionen-Batterien, und die grundlegenden Erkenntnisse, die wir über die Wechselwirkungen zwischen Kathode und Elektrolyt gewonnen haben, können Aufschluss darüber geben, wie wir in Zukunft kobaltfreie oder kobaltarme Kathodenmaterialien in Natrium-Ionen-Batterien sowie in anderen Arten von Batteriechemie entwickeln könnten«, betonte Song. »Wenn wir gangbare Alternativen sowohl für Lithium als auch für Kobalt finden können, könnte die Natrium-Ionen-Batterie tatsächlich in Konkurrenz zu Lithium-Ionen-Batterien treten. Und das wäre ein echter Game Changer«, fügte er hinzu.

Originalpublikation

J. Song, et al., Controlling Surface Phase Transition and Chemical Reactivity of O3-Layered Metal Oxide Cathodes for High-Performance Na-Ion Batteries, ACS Energy Lett. 2020, 5, XXX, 1718–1725, April 28, 2020, https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00700